В России около 70 % оборудования тепловых электрических станций (ТЭС) выработало срок эксплуатации и устарело. Необходима массовая его замена с внедрением новых технологий производства электроэнергии и теплоты. Из числа освоенных энергетических технологий наиболее высоким экономическим потенциалом обладают парогазовые установки (ПГУ). В них реализуется комбинированный цикл производства электроэнергии в газотурбинной установке (ГТУ), работающей на природном газе или жидком топливе, и паровой турбине, водяной пар для которой вырабатывается в утилизационном котле (УК) за счет теплоты отходящих из ГТУ газов. Кроме термодинамического совершенства ПГУ обладают рядом других преимуществ, наиболее важными из них по сравнению с ТЭС являются: в 2-3 раза меньшие удельные капитальные затраты, в 1,3-1,5 раза меньшая себестоимость производимой электроэнергии, в 3-4 раза меньшие сроки строительства, в 1,5-2,0 раза меньший экологический ущерб. Поэтому в настоящее время парогазовые установки активно развиваются и распространяются, в том числе и в энергетике России.
При проектировании и создании ПГУ возможны два подхода:
1) при заданных ГТУ, т.е. выпускаемых отечественными и зарубежными фирмами;
2) при незаданных ГТУ, т.е. специально проектируемых для работы в составе ПГУ.
Эти вопросы, касающиеся такого важного параметра цикла, как степень повышения давления воздуха ε, были рассмотрены применительно к энергетической газотурбинной установке ГТЭ-45У производства ТМЗ (г. Екатеринбург), работающей на природном газе. Эта ГТУ имеет номинальную электрическую мощность 42 МВт, температуру газов на входе в газовую турбину 1227 °С, степень повышения давления воздуха в компрессоре 13,5 и КПД на муфте 35 %.
Были разработаны математические модели и программы для расчета характеристик продуктов сгорания топлива, тепловой схемы ГТУ, производительности УК, мощности паровой турбины и выходных характеристик ПГУ. Степень повышения давления воздуха в компрессоре изменялась в диапазоне от 5 до 50. Результаты расчета приведены в таблице и на рисунке, где использованы следующие обозначения: 
, 
- КПД по выработке электроэнергии в ГТУ и ПГУ, GГ - расход газов ГТУ, T4 - температура отработавших в ГТУ газов, T5 - температура газов на выходе из УК, Gук - паропроизводительность УК, 
- электрическая мощность паровой турбины, g - удельный расход воздуха в ГТУ.
Характеристики ГТУ и ПГУ
при различных значениях
|
ε |
|
|
GГ, кг/с |
T4, °C |
T5, °C |
Gук, кг/с |
МВт |
|
5 |
22,8 |
44,7 |
142,1 |
822 |
183 |
28,5 |
40,1 |
|
10 |
29,9 |
46,7 |
119,0 |
675 |
195 |
18,9 |
23,0 |
|
15 |
33,0 |
47,3 |
115,1 |
599 |
202 |
16,2 |
18,0 |
|
20 |
34,8 |
47,5 |
115,5 |
549 |
207 |
14,4 |
15,3 |
|
25 |
36,0 |
47,4 |
117,8 |
508 |
211 |
13,1 |
13,3 |
|
30 |
36,6 |
47,1 |
120,5 |
483 |
214 |
12,3 |
12,1 |
|
35 |
37,0 |
46,8 |
124,0 |
459 |
217 |
11,6 |
11,1 |
|
40 |
37,2 |
46,4 |
127,9 |
439 |
220 |
11,0 |
10,3 |
|
45 |
37,32 |
45,9 |
132,2 |
422 |
222 |
10,5 |
9,7 |
|
50 |
37,29 |
45,4 |
136,8 |
407 |
224 |
10,0 |
9,1 |
Анализ полученных результатов показывает, что для ГТУ простого цикла оптимальное по КПД значение ε составило около 45 (рисунок), что значительно превосходит ε = 13,5 в построенной ГТЭ-45У. Следует отметить, что в практике проектирования газотурбинных двигателей при выборе степени повышения давления в качестве критерия используются: КПД (удельный расход топлива), удельная эффективная работа (удельный расход воздуха), технико-экономические показатели и пр. Возможны также компромиссные решения. При оптимизации по минимальному удельному расходу воздуха существенно упрощается компрессорная часть и в целом улучшаются массогабаритные характеристики всей ГТУ. Поэтому этот критерий часто используется для транспортных ГТУ. Оптимизация по минимальному удельному расходу воздуха g (см. рисунок), показала, что εопт значительно снижаются и лежат в районе 15-17. С учетом пологости кривой g в районе минимума (см. рисунок) этот результат можно считать достаточно близким тому, что есть в реальном двигателе.
Для ГТУ в составе комбинированной парогазовой установки оптимальная степень повышения давления составила около 19 (см. рисунок), что значительно ниже, чем для ГТУ простого цикла. Это вполне закономерно, т.к. при меньших ε уменьшается степень понижения давления в газовой турбине и, следовательно, при неизменной начальной температуре газа увеличивается температура газов на выходе из ГТУ (T4 в таблице). В результате возрастаетколичество пара, генерируемого в утилизационном котле, и мощность паровой турбины (таблица), что компенсирует снижение эффективности газотурбинной части комбинированной установки.
Результаты оптимизации степени повышения давления воздуха в компрессоре для ГТУ и ПГУ
Сопоставляя эффективность ПГУ при εопт = 19 и при εопт = 13,5 (как в ГТЭ - 45У) можно отметить, что электрические КПД соответственно составляют 47,60 и 47,25 %. Проигрыш по КПД в ПГУ на базе существующей ГТЭ - 45У по сравнению с оптимальным вариантом не превышает 0,75 % относительных.
На основании изложенного можно сделать вывод, что рассматриваемая газотурбинная установка
ГТЭ-45У по степени повышения давления воздуха вполне подходит для создания на ее основе эффективной комбинированной ПГУ.